Kelvin probe force microscopy analysis of microfabricated ion traps

Abstract

Oberflächenbedingtes Rauschen ist nach wie vor ein Hindernis für skalierbares Quantencomputing mit Ionenfallen. Motiviert durch die immer noch unklaren Ursachen des Rauschens wird in dieser Arbeit eine Analyse der Oberflächeneigenschaften von industriell gefertigten Ionenfallen mittels Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) vorgestellt. Dabei KPFM wird als ortsaufgelöste Methode eingesetzt, um die Potenzialverteilung auf Aluminium- und Siliziumdioxidoberflächen zu untersuchen. Auf den Aluminiumoberflächen werden verschiedene statische Unregelmäßigkeiten im Potenzial beobachtet, darunter erwartete Merkmale wie Korngrenzen. Interessanterweise werden unerwartet große Abweichungen von bis zu 790 mV entdeckt, deren Ursachen jedoch nicht klar sind. Um die Auswirkungen dieser Potenzialabweichungen besser zu verstehen, werden Simulationen des statischen elektrischen Feldes anhand von Daten aus KPFM-Messungen durchgeführt, die mögliche Auswirkungen auf eingeschlossene Ionen aufzeigen. Außerdem werden Laserexperimente an einer Aluminiumelektrode beschrieben, bei denen während der KPFM- Messungen abwechselnd mit einem 405-nm-Laser beleuchtet und abgedunkelt wird. Diese Experimente ergaben jedoch keine signifikanten Ergebnisse. Zusätzlich zu den Untersuchungen an Metalloberflächen zeigt die Studie, dass mit dem verwendeten Versuchsaufbau eine Auflösung im Nanometerbereich auf einer Siliziumdioxidoberfläche erreicht werden kann. Das für diese Experimente verwendete Instrument ist ein Park NX20 Rasterkraftmikroskop (AFM), das bei Raumtemperatur in einer Luftumgebung betrieben wird.

Surface related noise still remains an obstacle for scalable quantum computing with ion traps. Motivated by the still unclear origins of the noise this thesis presents an analysis of the surface properties of industrially fabricated ion traps using Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). KPFM is employed as a spatially resolved method to assess the potential distribution across aluminium and silica surfaces. Various static irregularities in the potential are observed on the aluminium surfaces, including anticipated features such as grain boundaries. Interestingly, unexpectedly large deviations of up to 790 mV are discovered, the underlying causes of them remain elusive. To further understand the impact of these potential deviations, simulations on the static electrical field are conducted using data obtained from KPFM measurements, revealing potential implications on trapped ions. Furthermore, laser experiments on an aluminium electrode are described, involving alternate illumination and darkening with a 405 nm laser during KPFM measurements. However, no significant results are obtained from these experiments. In addition to the investigations on metal surfaces, the study demonstrates that the experimental setup employed can achieve nanometer-scale resolution on a silica surface. The instrument utilized for these experiments is a Park NX20 Atomic Force Microscope (AFM), operated at room temperature in an air environment.